pdf.php@id=6159.pdf

В большинстве случаев в недовоэбужденном режиме требуются меньшие мощности, чем в перевозбужденном, и указанные значения отношения (37-7) удовлетворяют эксплуатационным требованиям, но в некоторых случаях необходима большая мощность 5 НВ. Этого можно достигнуть увеличением зазора, однако это приводит к удо­ рожанию машины, и поэтому в последнее время ставится вопрос об использовании режима с отрицательным током возбуждения. При этом в выражении (37-5) Е < 0, вследствие чего / нв увеличи­ вается. Поскольку синхронный компенсатор по активной мощности загружен только потерями, то, согласно (35-4), он может работать устойчиво также с небольшим отрицательным возбуждением.

В ряде случаев в маловодные периоды для работы в режиме компенсаторов используются также генераторы гидроэлектро­ станций.

Глава тридцать восьмая

НЕСИММЕТРИЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

$ 38-1. Действие симметричных составляющих токов

всинхронной машине и параметры прямой, обратной

инулевой последовательности

Предварительные замечания. На практике встречаются случаи, когда мощные однофазные потребители нарушают симметричную нагрузку фаз синхронных генераторов (тяговые подстанции желез­ ных дорог, электрифицируемых на переменном токе, и т. д.). Еще более часто, хотя и кратковременно, несимметричная нагрузка фаз генераторов возникает при несимметричных коротких замыка­ ниях в электрических сетях: при однофазном коротком замыкании — между линейным и нулевым проводами, при двухфазном коротком

замыкании — между двумя линейными проводами и при двухфазном коротком замыкании на нейтраль — между двумя линейными и нуле­ вым проводами. Роль нулевого провода в сетях высокого напряже­ ния играет земля, так как нулевые точки в таких сетях обычно зазем­ ляются.

Хотя несимметричные короткие замыкания существуют кратко­ временно, так как поврежденные участки сетей отключаются релей­ ной защитой, они оказывают сильное влияние на работу генераторов и сети в целом. При внезапных несимметричных коротких замыка­ ниях возникают также переходные процессы, однако ниже для выяв­ ления главных особенностей явлений рассматриваются прежде всего установившиеся несимметричные режимы работы.

Общим методом исследования несимметричных режимов является метод симметричных составляющих, при котором несимметричная система токов раскладывается на симметричные составляющие и действие последних учитывается по отдельности. В данном пара­ графе рассмотрим действие токов разных последовательностей в трех­ фазной синхронной машине.

Токи и сопротивления прямой последовательности. При симмет­ ричной нагрузке синхронного генератора существуют только токи прямой последовательности. Поэтому изложенное в гл. 32 и 33 относится к работе синхронных машин с токами прямой последова­ тельности и введенные там синхронные сопротивления ха и хя являются сопротивлениями синхронной машины для токов прямой последовательности.

Наиболее существенной особенностью нормального режима работы синхронной машины с токами прямой последовательности является то, что ротор машины вращается синхронно с полем токов прямой последовательности или полем реакции якоря и поэтому это поле не индуктирует в цепях индуктора никаких токов. По этой причине сопротивления ха и хя велики.

Пользуясь терминологией теории асинхронных мащин, можно сказать, что скольжение з ротора синхронной машины относи­ тельно магнитного поля токов прямой последовательности статора (якоря) равно нулю. Поэтому сопротивления ха и хч идентичны с индуктивным сопротивлением асинхронной машины при идеальном холостом ходе (5 = 3! = 0).

Составляющими этого сопротивления являются индуктивное сопротивление рассеяния хаа и индуктивное сопротивление от основ­ ной гармоники поля в воздушном зазоре (для синхронной машины Хаи И Хяд).

Токи и сопротивления обратной последовательности. Представим себе, что обмотка якоря (статор) синхронной машины питается напряжением обратной последовательности 1!%.

Возникающие при этом токи обратной последовательности создают магнитное поле обратной последовательности, которое вращается по отношению к статору с синхронной скоростью в обратном направлении, а по отношению к ротору, вращающе­ муся с синхронной скоростью в прямом направлении, — с удвоен­ ной синхронной скоростью. Поэтому относительно этого поля скольжение ротора х, = 2 и в обмотках возбуждения, успокои­ тельной и в массивных частях ротора индуктируются вторичные токи двойной частоты, которые вызывают соответствующие потери и нагрев ротора.

Ввиду сказанного для рассматриваемого случая действительно все изложенное в § 36-1 при 8 = 2.

Схемами замещения для токов обратной последовательности являются схемы рис. 36-2 при 5 = 2. Обозначим сопротивления этих схем при 5 = 2 буквами 2а2 и 2дг.

При 2аз Ф 2д2 токи статора содержат составляющую основной частоты и, согласно выражению (36-4), токи тройной частоты, влия­ нием которых можно пренебречь. Ток основной частоты представ­ ляет собой ток обратной последовательности /2 и определяется пер­ вым равенством (36-3) при 5 = 2:

(38-1)

Сопротивление обратной последовательности синхронной ма­ шины 2г равно отношению основных гармоник напряжения и тока обратной последовательности:

22 = 0 2//2.

Согласно равенству (38-1),

(38-2)

Обычно г2 значительно меньше х2 и г2 «=* х2, так как при 5 = 2 активные сопротивления схем рис. 36-2 мало влияют на модули или величины сопротивлений При наличии успокоитель­ ных обмоток и контуров

а при их отсутствии

Поэтому в первом случае в соответствии с равенством (38-2)

(38-5)

а во втором

(38-6)

Сопротивление Ъ2 по формуле (38-2) соответствует случаю, когда напряжения статора синусоидальны, а токи несинусои­ дальны Если последовательно с обмоткой статора включейы значительные индуктивные сопротивления (например, сопро­ тивления трансформаторов и линий передачи), то токи обратной последовательности синусоидальны, а напряжения обмотки ста­ тора несинусоидальны. В этом случае, как можно показать,

и при наличии успокоительных обмоток и контуров

а при их отсутствии

Если машина имеет успокоительные обмотки и контуры, то можно принять 2й2 и ха « х'я, и поэтому в данном случае, согласно выражениям (38-5) и (38-8),

При этом высшие гармоники тока и напряжения отсутствуют. - Вследствие экранирующего влияния вторичных токов сопротив­ ление х2значительно меньше ха и хд (см. табл. 32-1). Сопротивления г2, х2ил, можно определить по измеренным значениям и 2, / 2 и потреб­ ляемой активной мощности Р3, если приключить синхронную

машину к источнику с симметричной системой напряжений и вра­ щать ротор против поля с синхронной скоростью. Во избежание перегрева ротора необходимо, чтобы / 2 = (0,2 0,25) / н. Если машина не имеет успокоительных обмоток и контуров, то для полу­ чения более правильных результатов надо из осциллограмм выде­ лить основные гармоники тока и напряжения.

Токи и сопротивления нулевой последовательности.

Токи нулевой последовательности обмотки статора 10создают

ввоздушном зазоре только пульсирующие поля гармоник V =

=3, 9, 15..., а основная гармоника поля будет отсутствовать (см. § 22-2). Эти гармоники поля индуктируют в обмотках возбуж­ дения и успокоительной токи, величины которых относительно невелики.

Сопротивление нулевой последовательности

Индуктивное сопротивление нулевой последовательности х0 ввиду отсутствия поля основной гармоники относительно невелико (см. табл. 32-1) и определяется полями пазового и лобового рассея­ ния обмотки статора и указанными выше гармониками поля в зазоре. Активное сопротивление нулевой последовательности г0 в резуль­ тате потерь, вызываемых гармониками поля в роторе, несколько больше активного сопротивления обмотки статора га, но разность г0— га невелика и г0 га. Вращающий момент, создаваемый токами /„, практически равен нулю.

Сопротивления г0, лг0 и г0 можно определить опытным путем, если при вращении машины с синхронной скоростью питать после­ довательно включенные фазы обмотки статора током / 0. Указанные сопротивления при этом определяются точно так же, как и у транс­ форматора (см. § 16-1).

§ 38-2.. Работа синхронных генераторов при несимметричной нагрузке

а в крупных машинах с целью выполнения релейной защиты от замыканий на землю заземляется через большое сопротивление. Поэтому токи нулевой последовательности либо отсутствуют, либо весьма невелики.

В силу этого при несимметричной нагрузке синхронных генераторов, кроме токов прямой последовательности, практи­ чески существуют только токи обратной последовательности.

Последние вызывают в машине ряд нежелательных явлений и де­ I лают режим работы машины тяжелым.

Потери энергии и нагрев ротора.

Токи двойной частоты, индуктируемые в роторе магнитным полем статора обратной последовательности, вызывают в роторе излишние потери и его нагрев, а также уменьшение к. п. д. машины.

Токи, индуктируемые обратным полем в успокоительных обмот­ ках явнополюсных машин и в массивном роторе турбогенераторов, могут быть весьма значительными, а активные сопротивления этим токам под влиянием поверхностного эффекта будут большими.

Поэтому при значительной несимметрии нагрузки возникает чрезмерный и опасный нагрев успокоительных обмоток и массив­ ных роторов.

Высокая температура тела ротора турбогенератора вызывает опасные деформации ротора и вероятность повреждения изоляции обмотки возбуждения. Нагрев успокоительной обмотки явнополюс­ ной машины мало влияет на температуру обмотки возбуждения ввиду удаленности этих обмоток друг от друга и лучших условий охлаж­ дения обмотки возбуждения явнополюсных машин.

Токи, индуктируемые обратным полем в обмотке возбуждения, меньше из-за большего сопротивления рассеяния этой обмотки. Поэтому в явнополюсных машинах дополнительный нагрев обмотки возбуждения при несимметричной нагрузке невелик.

Вибрация.

В результате взаимодействия потока возбуждения и потока обратной последовательности статора, а также поля прямой после­ довательности статора и поля токов двойной частоты ротора при несимметричной нагрузке на ротор и статор действуют знако­ переменные вращающие моменты и тангенциальные силы, пульси­ рующие с частотой 2/у.

Кроме того, вследствие этих же причин возникают пульсирую­ щие радиальные силы притяжения и отталкивания между полюсами полей статора и ротора, стремящиеся деформировать статор и ротор. Эти силы вызывают вибрацию частей машины, шум и ослабление запрессовки сердечника статора. Пульсирующие силы двойной час­ тоты ввиду усталостных явлений могут также вредно отразиться на прочности сварных соединений, в особенности при наличии дефектов сварки. Все указанные факторы, естественно, тем сильнее, чем боль­ ше неснмметрия нагрузки.

Искажение симметрии напряжений. Токи обратной последова­ тельности вызывают в фазах обмотки статора падения напряжения

22/ 2, векторы которых ориентированы относительно напряжений прямой последовательности в разных фазах по-разному.

В результате этого симметрия напряжений генератора иска­ жается и напряжения более загруженных фаз будут меньше. Это ухудшает условия работы приемников, в особенности асинхрон­ ных и синхронных двигателей.

В машинах с успокоительными обмотками и массивными рото­ рами или полюсами 22 меньше, вследствие чего и искажение сим­ метрии напряжений у них меньше. Физически это объясняется тем, что в таких машинах поток обратной последовательности статора в значительной степени заглушается токами, индуктируе­ мыми в роторе, и поэтому этот поток индуктирует в фазах обмотки

ниях, так как при этом сглаживающее влияние внешних индуктив­ ных сопротивлений исчезает или ослабляется. В качестве примера на рис. 38-1 изображена форма кривой тока при двухфазном корот­ ком замыкании.

Высшие гармоники тока могут вызвать опасные резонансные явления, если в цепях обмоток статора имеются емкости (напри­ мер, емкость длинных линий передачи и пр.).

В результате резонанса напряжений на зажимах обмотки статора возникают напряжения повышенных частот, которые могут превы­ сить номинальные напряжения во много раз и повредить изоляцию машины. Эго является одной из причин того, что мощные гидрогене­ раторы, работающие на длинные линии передачи, обычно снабжаются успокоительными обмотками. При наличии успокоительных обмоток

зает.

Допустимая несимметрия нагрузки ограничивается прежде всего необходимостью предотвращения опасного нагрева ротора, а также вибрации машины.

Согласно ГОСТ 183—66, допускается длительная работатурбо- и гидрогенераторов с несимметричной нагрузкой, если токи фаз не превышают номинальных значений и разность токов в фазах не превышает 10% номинального тока фазы.

§ 38-3. Несимметричные короткие замыкания

Основные уравнения. Рассмотрим установившиеся несимметричные короткие замыкания иа зажимах генератора с соединением обмоток в звезду в предполо­

Величины 2Ь 2^, 20 и Е будем считать заданными. Тогда девять уравне­ ний (38-12) — (38-14) будут содержать двенадцать неизвестных токов и напряже­ ний. Поэтому для их определения в каждом случае, исходя из конкретных осо­

бенностей каждого вида короткого замыкания, необходимо составить три допол­ нительных уравнения.

Сначала целесообразно определить симметричные составляющие токов и напряжений, а затем по уравнениям (38-13) и (38-14) найти фазные величины.

Из уравнений (38-12) можно определить симметричные составляющие напря­ жений:

и аЁ минус падения напряжения от токов разных последовательностей в сопро­ тивлениях соответствующих последовательностей.

Рис. 38-3. Схемы однофазного (а), двухфазного (б) и двухфазного на нейтраль (в) короткого замыкания синхронного генератора

Уравнения (38-12) — (38-16) действительны не только для несимметричных коротких замыканий, но и для общего случая несимметричной нагрузки синхрон­ ного генератора. Однако ниже они будут использованы для исследования несим­ метричных коротких замыканий.

Однофазные короткие замыкания. В этом случае, согласно схеме рис. 38-3, а,

Соотношения (38-17) и (38-18) представляют собой необходимые дополнитель­ ные уравнения.

Просуммируем соотношения (38-13) и учтем (38-18). Тогда

Вычислим по (38-13) разность /* — 1С и учтем равенство (38-18). Тогда

Подставив (38-19) и (38-20) в первое уравнение (38-13), находим

Теперь можно воспользоваться равенствами (38-15) и (38-16), однако соот­ ветствующих преобразований производить здесь не будем.

Рис 38-4 Векторные диаграммы токов (а) и напряжений (б) при однофазном ко­ ротком замыкании

Активные сопротивления ги тг, г0 малы, и их можно положить равными нулю При этих условиях токи будут чисто индуктивными и ток 1Х— продоль­ ным током Поэтому при указанном предположении

На основе полученных соотношений при условиях (38-24) на рис. 38-4 изоб­ ражены векторные диаграммы токов и напряжений

Двухфазное короткое замыкание. В данномслучае, согласно рис. 38-3, б,